《Scientia Horticulturae》：Morphological and physiological differences between male and female plants of
Kmeria septentrionalis and their effects on sex identification
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為解決瀕危、稀有的木蘭科唯一雌雄異株物種北越單性木蘭（Kmeria septentrionalis）在非花期缺乏可靠性別鑒定技術(shù)的難題，研究人員綜合運用形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)和跨季節(jié)生理生化指標(biāo)動態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)揭示了其雌雄株在葉片形態(tài)解剖、花芽特征及季節(jié)生理特性上的顯著差異，并成功構(gòu)建了基于葉片特征的性別鑒定模型。該研究突破了傳統(tǒng)依賴花期的鑒定局限，為這一瀕危物種的保育和定向育種提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
在浩瀚的植物王國中，木蘭科以其典雅的花朵和重要的科研價值聞名。然而，該科中卻存在一個特殊的成員——北越單性木蘭（Kmeria septentrionalis），它是木蘭科中已知的唯一雌雄異株物種。這種分布于中國西南部及東南亞石灰?guī)r山地的常綠闊葉林中的樹木，不僅樹形優(yōu)美、花香清雅，是優(yōu)良的園林觀賞和用材樹種，其花、枝、葉富含精油，在食品、醫(yī)藥和化妝品行業(yè)也展現(xiàn)出巨大的開發(fā)潛力。更為重要的是，作為木蘭科中的一個古老而獨特的譜系，其高度退化的單性花結(jié)構(gòu)，使其成為研究木蘭科系統(tǒng)發(fā)育和被子植物性別決定機制的重要材料，也是生物多樣性保護的旗艦物種。
然而，這位植物界的“獨行俠”正面臨嚴(yán)峻的生存挑戰(zhàn)。其野生種群稀少、分布區(qū)極其狹窄且片段化，已被列為中國國家一級保護植物和世界自然保護聯(lián)盟（IUCN）的極度瀕危物種。其瀕危的原因復(fù)雜，棲息地破壞、小種群效應(yīng)、授粉限制以及雌雄異株植物本身導(dǎo)致的生殖障礙都是主要推手。尤為關(guān)鍵的是，在其種群內(nèi)部，雌株稀少且空間隔離，自然更新能力弱。更棘手的是，北越單性木蘭的幼苗通常需要八年以上才能進入開花期，且在非花期無法通過花朵辨別性別。傳統(tǒng)的性別鑒定完全依賴于開花期，這嚴(yán)重制約了其種質(zhì)資源管理、人工繁殖、種群恢復(fù)和可持續(xù)利用。因此，開發(fā)一種不依賴于花期的、可靠的早期性別鑒定技術(shù)，成為了拯救和利用這一珍稀物種的當(dāng)務(wù)之急。
為了破解這一難題，廣西大學(xué)林學(xué)院的研究團隊在Pengxiang Li、Junfei Xiong、Song Guo、Lixin Huang、Dongdong Li、Tingyi Lin和Zailiu Li的帶領(lǐng)下，開展了一項系統(tǒng)而深入的研究。他們旨在回答三個核心問題：北越單性木蘭的雌雄株在外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上是否存在差異？其生理生化指標(biāo)在不同生長季節(jié)如何變化及相互關(guān)聯(lián)？如何基于雌雄株的形態(tài)和理化差異，在開花期和非開花期進行性別鑒定？這項研究成果最終發(fā)表在園藝學(xué)領(lǐng)域的知名期刊《Scientia Horticulturae》上。
為了開展這項研究，團隊從位于中國廣西南寧市武鳴區(qū)的北越單性木蘭種質(zhì)基地采集了樣本。研究整合了多種關(guān)鍵的技術(shù)方法：首先，通過葉片形態(tài)測量、指甲油拓印法觀察葉表特征、以及徒手切片和石蠟切片技術(shù)，系統(tǒng)比較了雌雄株在葉片、花芽、枝條的形態(tài)與解剖結(jié)構(gòu)差異。其次，通過跨季節(jié)（春、夏、秋、冬）動態(tài)采樣，測定了葉片的一系列生理生化指標(biāo)，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)的活性，以及可溶性糖、可溶性蛋白和水溶性酚類物質(zhì)的含量。最后，基于統(tǒng)計學(xué)分析篩選出關(guān)鍵差異指標(biāo)，構(gòu)建了用于性別判別的數(shù)學(xué)模型。
研究結(jié)果揭示了雌雄株在多方面的顯著差異：
3.1. 北越單性木蘭雌雄株形態(tài)差異分析
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3.1.1. 雌雄株葉片形態(tài)差異：研究發(fā)現(xiàn)，雌株的葉片長度顯著短于雄株，而葉長寬比更是極顯著小于雄株。這意味著雄株的葉片通常更為狹長。相反，雌株葉片在距離葉基1厘米和3厘米處的寬度顯著大于雄株，表明雌株的闊楔形葉基更寬，葉基角更大。在解剖結(jié)構(gòu)上，雌株的葉片厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度以及柵欄組織與海綿組織厚度比均極顯著大于雄株，而上表皮厚度則極顯著小于雄株。這些葉片形態(tài)和解剖特征上的差異，為性別鑒定提供了穩(wěn)定的依據(jù)。基于此，研究成功構(gòu)建了一個包含9個核心葉片指標(biāo)的判別模型，經(jīng)驗證，其對獨立測試集的識別準(zhǔn)確率高達100%。
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3.1.2. 雌雄株花與芽的形態(tài)差異：在花期，可通過花器官直接鑒別：僅具雄蕊的為雄株，僅具雌蕊的為雌株。在蕾期，同一發(fā)育階段的雌花花蕾小于雄花花蕾，且雌花花蕾上端漸尖，雄花花蕾上端急尖。雌花花蕾的橫切面長、寬、面積以及花蕾長度均顯著大于雄株。
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3.1.3. 雌雄株枝條形態(tài)差異：通過對二年生枝條橫切面的觀察發(fā)現(xiàn)，雌株的髓部相對狹窄，組織排列緊密；而雄株的髓部較寬，排列較為疏松。然而，在多年生木材的微觀結(jié)構(gòu)上，雌雄株之間未發(fā)現(xiàn)顯著差異。
3.2. 北越單性木蘭雌雄株葉片生理生化特性分析
生理生化指標(biāo)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)特異性：
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抗氧化酶活性：在春季，雌株的SOD活性極顯著低于雄株。POD活性的性別差異則呈現(xiàn)出復(fù)雜的季節(jié)性變化：雌株在春季顯著低于雄株，在秋季極顯著低于雄株，但在冬季卻顯著高于雄株。僅在仲夏，雌株的PPO活性顯著高于雄株。
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營養(yǎng)物質(zhì)含量：可溶性糖含量方面，雌株在春季和秋季顯著高于雄株，但在初夏顯著低于雄株。可溶性蛋白含量則在冬季表現(xiàn)出極顯著差異，雌株含量極顯著低于雄株。水溶性酚類物質(zhì)的含量在各季節(jié)均未發(fā)現(xiàn)顯著的性別差異。
研究結(jié)論與意義：
本項研究系統(tǒng)地闡明了北越單性木蘭雌雄株在形態(tài)、解剖、生理和生化特性上的全方位差異。雌株在葉片形態(tài)上更短、更圓，葉基更寬；在解剖結(jié)構(gòu)上具有更厚的葉片、下表皮和柵欄組織；在枝條結(jié)構(gòu)上髓部更窄。花蕾特征和多項具有季節(jié)特異性的生理指標(biāo)（如春季的SOD、秋季的POD、冬季的可溶性蛋白）也提供了有效的鑒別依據(jù)。
尤為重要的是，研究創(chuàng)新性地整合了葉片形態(tài)解剖特征，并輔以花芽性狀和關(guān)鍵季節(jié)性生理指標(biāo)，建立了一個高效的性別鑒定模型。這一模型克服了傳統(tǒng)方法必須依賴開花期的局限性，使得在苗木期或非花期對成年植株進行性別鑒定成為可能。這為北越單性木蘭的人工栽培、種群恢復(fù)中的合理雌雄配置、種質(zhì)資源管理以及可持續(xù)利用提供了至關(guān)重要的技術(shù)工具和科學(xué)依據(jù)，對保護這一珍貴的生物多樣性資源和推動其相關(guān)的生物經(jīng)濟發(fā)展具有重要的理論與實踐意義。
研究同時指出，當(dāng)前指標(biāo)主要適用于成年植株，幼苗期的性別鑒定仍需新方法（如分子標(biāo)記）。此外，已構(gòu)建的模型基于特定栽培條件下的性狀，其普適性有待在更廣泛的地理種群和不同環(huán)境梯度下進行驗證，以明確環(huán)境對性狀可塑性的影響。未來的研究將繼續(xù)深入，以建立更全面、更穩(wěn)健的性別鑒定與保育利用體系。
